Co 3 O 4 /碳布自支撑电极的改性及其硝酸盐电化学还原的研究

发布时间：2020-12-04 01:03

　　近年来随着工业化进程的不断推进,水资源污染愈加严重,其中,硝酸盐导致的水体富营养化污染日益引起关注,已成为水污染防治领域的热点。电化学技术去除硝酸盐以其操作简便、环境友好、无二次污染等优点受到国内外学者广泛研究。电极材料的种类对硝酸盐电化学还原效率有决定性作用,因此,制备高性能的电极材料是电化学去除硝酸盐的关键。为提高电化学还原硝酸盐的去除效率、力求实现硝酸盐的无害化转化,本学位论文工作中制备了具有高催化性能的过渡金属钴氧化物电极并对其进行改性处理,开展了电极材料电化学还原去除硝酸盐的研究。首先通过水热合成和高温煅烧制备了以碳布为基底的纳米Co3O4/CC电极,表征了其组织形态,研究了反应时间、电流密度、NO3^-初始浓度、pH等工艺参数对硝酸盐去除的影响,得到了电化学硝酸盐去除的最佳工艺条件。在最佳实验条件下,NO3^-去除率为84%,NH4⁺生成率在50%以上,可以认定铵盐为Co3O4/CC电极电化学还原硝酸盐的主要产物。在此基础上,为进一步提高电化学还原硝酸盐性能,通过相同制备方法将CuO掺杂到纳米Co3O4中,并辅助... 

【文章来源】：燕山大学河北省

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

煅烧温度和升温速率对硝酸盐去除的影响

燕山大学工学硕士学位论文16度和表面形貌，因此本课题选择前驱体高温煅烧的升温速率为1℃/min。3.2Co3O4/CC电极的表征3.2.1Co3O4/CC电极XRD表征分析如图3-2所示为Co3O4/CC电极XRD表征图，可以看出在衍射角2θ为26°时出现一个明显的衍射峰，对应着碳布的(002)晶面；此外碳布的另一个衍射峰在2θ为43.5°时对应的晶面为(100)。在2θ=19.1°、31.3°、36.9°、44.9°、59.5°、65.4°、77.6°可以观察到较弱的衍射峰，分别对应着Co3O4(PDF:74-1656)的(111)、(220)、(311)、(400)、(511)、(440)、(533)晶面，其晶胞参数为：α=8.065，β=8.065，γ=8.065。综上，Co3O4/CC电极的XRD谱图表明以碳布为基底制备的过渡金属钴氧化物为Co3O4。图3-2Co3O4/CC电极XRD图3.2.2Co3O4/CC电极SEM表征分析为了探究上述条件下制备的Co3O4/CC电极的微观表面形貌，采用SEM对空白碳布和Co3O4/CC电极进行分析，其形貌如图3-3所示。由图3-3(a)及其内插图可以看出空白碳布表面光滑，经过预处理后其表面没有多余杂质附着，其形貌为碳布纤维紧密排列；图3-3(b)中制备的以碳布负载的Co3O4金属颗粒，表面形貌呈现纳米花状结构，Co3O4纳米花均匀地生长在碳布表面，排列紧凑细密，并将碳布均匀覆盖。更进一步地，Co3O4纳米花状结构具有较大的比表面积，增加了电极与电解液中硝酸根离子的接触活性点位，发生电化学还原反应的效率更高，从而提高了对硝酸盐的

第3章Co3O4/CC电极电化学还原硝酸盐的研究17还原性能。图3-3Co3O4/CC电极SEM图(a)空白碳布；(b)Co3O4/CC电极3.3Co3O4/CC电极电化学还原硝酸盐性能研究3.3.1反应时间对硝酸盐去除的影响电化学反应时间决定了硝酸盐还原生成产物的种类，反应时间过短会使硝酸盐的转化不充分，中间产物来不及进一步转化；若反应时间过长则会消耗多余电能造成不必要的能源浪费。因此，合理控制电化学反应的时间是本课题探究的实验参数之一。实验条件为：电解液由150mL的50mg/LNaNO3和0.05mol/LNa2SO4组成，pH为中性，电解温度为25℃，电解时间为300min，极板间距为10mm，电流密度为20mA/cm2，工作电极为Co3O4/CC电极，对电极为Ir-Ru/Ti电极，参比电极为饱和Ag/AgCl电极。在此实验条件基础下Co3O4/CC电极对NO3-的去除率以及产物生成浓度结果如图3-4所示。图3-4(a)为NO3-的去除率，图3-4(b)为NO2-和NH4+生成浓度。总体来看，电化学反应前120min，NO3-的去除率增长速率较快且NH4+生成浓度也迅速增加，此段时间内电子转移速率快，电化学还原反应效率高。当反应时间为120min时，NO3-的去除率达到73%，NO2-和NH4+生成浓度分别为0.08mg/L和25mg/L。随着电化学反应从120min到180min的时间段内，NO3-去除率和产物生成浓度增长缓慢，不如前120min反应速率高。当电化学还原反应进行300min后，NO3-的去除率保持在90%左右不再上升，NO2-和NH4+生成浓度从反应150min达到最大值后逐渐降低，NO2-


本文编号：2896759